DK148544B - Ferskvandskoelesystem til kompressorfoedede forbraendingsmotorer med luftmellemkoeler - Google Patents

Description

U8564

Opfindelsen angår et ferskvandskølesystem til kompressorfødede forbrændingsmotorer, fortrinsvis af typen medium speed dieselmotorer, hvilket system foruden kølekapperne ved motorens cylindre og en ferskvands køler også omfatter en luftmellemkøler til køling af 5 forbrændingsluften, efter af denne har forladt kompressoren, men før indføringen i de pågældende cylindre, hvilket kølesystem har en højtemperatur kreds, der omfatter motorens kølekapper, og hvori der desuden indgår en i kølevandets cirkulationsretning før motoren anbragt cirkulationspumpe, en lavtemperaturkreds, som omfatter 10 luftmellemkøleren samt en varmevekslerkreds, som omfatter ferskvandskøleren, hvorhos forbindelsen mellem disse forskellige kredse er indrettet på en sådan måde, at det varme kølevand i højtemperaturkredsen, efter at dette har forladt motoren, afgrenes i tre parter, hvoraf den første part via varmevekslerkredsen ledes gennem fersk- 1C * vandskøleren, den anden part via lavtemperatur kredsen ledes gennem luftmellemkøleren, og den tredie part ledes tilbage til motorens kølekapper efter at være blevet blandet med den første og den ånde part.

Et ferskvandskølesystem af denne art kendes fra beskrivelsen

PO

til tysk fremlæggelsesskrift nr. 2.610.378. Ifølge denne kendte teknik deles den første kølevandspart efter at have forladt ferskvandskøleren i to delstrømme, hvoraf den ene ledes direkte tilbage til motorens kølekapper, medens den anden delstrøm ledes til luftmellemkøleren. Før denne anden delstrøm ledes til luftmellemkøleren, 25 blandes den med den anden kølevandspart, der afgrenes direkte fra den fra motorens kølekapper udstrømmende kølevandsstrøm. Denne blanding sker i en ladeluftkølevandsreguleringsventil, der styres af en føler, som aftaster temperaturen af ladeluften efter luftmellemkøleren. Efter det sted, hvor den anden kølevandspart afgrenes fra den 30 fra motorens kølekapper udstrømmende kølevandsstrøm, opdeles resten af denne strøm i den nævnte første og den nævnte tredie kølevandspart ved hjælp af en kølevandsreguleringsventil, der styres af en føler, som aftaster temperaturen af kølevandet, der forlader motorens kølekapper. Den tredie kølevandspart ledes gennem en 35 omløbsledning tilbage til motorens kølekapper, medens den nævnte kølevandspart som nævnt ledes til ferskvands.køleren for derefer at blive opdelt i de to nævnte delstrømme.

Ferskvandskølesystemet ifølge den foreliggende opfindelse er ejendommeligt ved, at det er således indrettet, at den anden part

1485U

2 blandes med den første part efter ferskvandskøleren i proportioner, som bestemmes af en i krydsningen mellem disse to kredse anbragt første temperaturregulator for derefter ved konstant temperatur via lavtemperaturkredsen at blive ledet gennem luftmellemkøieren og 5 derefter ved en anden temperaturregulator at blive blandet med kølevandet fra den tredie af de afgrenede parter fra højtemperaturkredsen i proportioner, som bestemmes af denne anden temperaturregulator for derefter på ny ved konstant temperatur at blive tilført højtemperaturkredsen, og via denne motorens kølekapper.

10 Herved opnås det, at tilløbstemperaturen af det kølevand, der tilføres luftmellemkøieren og at tilløbstemperaturen af det kølevand, der tilføres motorens kølekapper hele tiden reguleres på en sådan måde, at de holder sig stabile inden for hvert sæt meget begrænsede interval. Værdien af dette kan hvad angår motorslitage ikke overvurderes.

15 Desuden giver systemet væsentlige fordele ved start af systemet, idet kølevandet da vil blive cirkuleret forbi ferskvandskøieren, indtil driftstemperaturen er opnået. En yderligere fordel ved systemet ifølge opfindelsen består i, at dette bygger på anvendelsen af konventionelle termostatventiler, medens den ladeluftkølevandsregule-20 ringsventil, som ifølge det nævnte tyske skrift styrer temperaturen af det kølevand, som tilføres luftmellemkøieren, og hvis temperatur styres i afhængighed af temperaturen af den luft, som tilføres motoren, skal være af en langt mere kompliceret konstruktion med en i afstand fra selve ventilen anbragt temperaturføler, som på sin side 25 styrer den pågældende ventil.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et simplificeret skema over en udførelsesform for kølevandssystemet ifølge opfindelsen, 30 fig. 2 i snit og set fra siden en til systemet hørende kombi neret udluftnings-, ekspansions- og trykholdetank, °9 fig. 3 karakteristikker over hele systemet opmålt ved en speciel motor.

35 I fig. 1 markerer en streg-prik-linie, hvilke enkeltheder, som er hensigtsmæssige at montere direkte på selve motoren, eller som hensigtsmæssigt kan indgå i denne. Disse leveres altså hensigtsmæssigt som en enhed fra fabrikken. Fra en kølevands kappe 1, hvorfra der i det foreliggende tilfælde udstrømmer fire kølestrømme, følger 3 U8564 kølevandet en hovedstrøm 2 til et udluftningskammer 4, som er anbragt foroven i en kombineret udluftnings-, ekspansions- og trykholdetank 3. Under dette kammer 4 og adskilt fra dette ved hjælp af en skillevæg 5 ligger tankens ekspansions- og trykholdekam-5 mer 6. Den mere detaljerede udformning af tanken vil blive beskrevet nærmere i forbindelse med fig. 2. Efter udluftningen i kammeret 3 forlader kølevandet dette i form af en hovedstrøm 7, som passerer gennem en strømjusteringsanordning i form af en strømjusteringsventil 8. Ved et efter strømjusteringsventilen 8 anbragt første forgre-10 ningspunkt 9 og et i strømningsretningen lidt længere fremme anbragt andet forgreningspunkt 10 deles kølevandstrømmen op i tre parter; nemlig en første part 13, en anden part 11 og en tredie part 15.

Den første part 13 afgrenes i forgreningspunktet 10, hvortil kølevandet ankommer, efter at den anden part 11 er blevet afgrenet i det 15 første forgreningspunkt 9, og den tredie part 15 udgør sammen med den første part 13 det kølevand, der strømmer til det andet forgreningspunkt 10. Den anden part 11 tilføres over en første temperaturregulator T-j en som luftmellemkøler virkende varmeveksler 12. I temperaturregulatoren blandes den anden part 11 med den første 20 part 13, som kommer direkte fra en ferskvandskøler 21, der fortrinsvis er anbragt udenfor motoren. Denne anden part 13 afgrenes som nævnt ved det tidligere omtalte andet forgreningspunkt 10, og føres altså nu tilbage efter passage gennem ferskvandskøleren 21. Temperaturregulatoren T1 er afpasset til vedvarende at tilføre luftmellem-25 køleren 12 en kølevandstrøm 14 med konstant temperatur. Temperaturregulatoren bestemmer altså alene blandingsforholdet mellem den ånde og den første kølevandspart 11 og 13. Ved en anden temperaturregulator Tg, som er anbragt umiddelbart efter luftmel lemkøleren 12, føres kølevandstrømmen fra luftmel lem køleren sammen med den 30 nævnte tredie ved forgreningspunktet 10 afgrenede kølevandspart 15. Kombineret giver kølevandsstrømmen 14 og den tredie kølevandspart 15 påny en hovedstrøm 16 med samme strømningsmængde som den fra motorens kølekapper kommende hovedstrøm 2. Også temperatur regulatoren Tg er tilpasset til indstilling af blandingsforholdet 35 mellem de forskellige tempererede strømme 14 og 15. Motorens kølekappe 1 vil altså vedvarende kunne tilføres kølevand med konstant temperatur. På sin vej til motorens kølekapper passerer kølevandstrømmen 16 en kølevandspumpe 17. Det er denne pumpe, som sammen med den tidligere nævnte strømjusteringsventil 8 bestemmer den

1485U

4 totale kølevandstrøm gennem systemet. Af den i det foregående skitserede opbygning fremgår det, at hver ændring af kølevandstemperaturen ved et eller andet punkt i systemet indebærer en ændring af de forskellige kølevandsparter 11, 13 og 15 hvad angår disses 5 proportionelle størrelse, hvilket giver en konstantholdelse af temperaturen i strømmene 14 og 16.

Dette indebærer, at der opnås en på det nærmeste konstant lufttemperatur af den i motoren inddrevne luft afhængigt af en ' passende valgt pumpekarakteristik, kombination og valg af termostat-10 ventilernes reguleringsområder samt valg af køleareal og K-værdika-rakteristik for fuftmellemkøleren (se den vedføjede karakteristik i fig. 3).

I fig. 1 findes der endvidere en trykholdeforbindelse 18 og to udluftningsforbindelser henholdsvis 19 og 20 til luftmellemkøleren 12 15 og ferskvandskøleren 21. En råvandsledning til ferskvandskøieren 21 er betegnet med 22. I råvandskredsen indgår der naturligvis såvel en cirkulationspumpe som hensigtsmæssige komponenter til styring af råvandstrømmen, men disse er ikke medtaget på tegningen, da denne først og fremmest har til formål at illustrere ferskvandskølesystemet.

20 Pi samme måde er smøreoliekølere og diverse sikkerheds- og kontrolsystemer, der som regel indgår i en motorinstallation af denne type, udeladt for at gøre figuren så tydelig som mulig.

På tegningen er der imidlertid antydet en kølevandsforvarmer 25, som er indkoblet i sin egen cirkulationskreds 23 med separat 25 køfevandspumpe 24.

Denne kreds anvendes under varmholdelse og, alternativt, i et kort tidsrum før start af motoren ved ekstremt kolde forhold.

Den i fig. 2 viste kombinerede udluftnings-, ekspansions- og trykholdetank 3 består som tidligere nævnt af et øverste udluftnings-30 kammer 4 og et nederste ekspansions- og trykholdekammer 6, som er adskilt af en skillevæg 5. Kammeret 6 er tilgængeligt udefra gennem et tryktæt låg 26, som er anbragt ovenpå tanken, og som er forsynet med en trykregulator, og som endvidere er anbragt over et stjgrør 27, som fører gennem det øverste kammer 4 og ned til det 35 nederste kammer. Den normale vandoverflade i det nederste kammer er tegnet på tegningen. Det foroven anbragte udluftningskammer er, således som det fremgår af tegningen, helt fyldt med kølevand i det normale tilfælde.

Det øverste kammer 4 har et tilløb 28 og et udløb 29. Tilløbet 148544 5 og udløbet udmunder i forskellige dele af kammeret, og mellem disse er der anbragt en styreflade 30, som forløber på tværs af kammeret.

Kølevandet tvinges derved til at følge den vej, som er antydet på tegningen med en stiplet pillinie. Ved at vandstrømmens impuls 5 nedsættes af den retningsændring, som styrepladen giver anledning til, og i kraft af forandringen til et større tværsnitsareal i tanken sker der en overgang til laminar strømning, hvorved der opnås en effektiv udluftning af kølevandstrømmen.

Udskilt luft vil samle sig i kammerets øverste del og har gennem TO et udluftningsrør 31 passagemulighed til tankens nederste kammer. Rørledningen 31 har en åbning 32 i kammeret 4's øverste del og en åbning 33 under væskeoverfladen i kammeret 6. Pi tegningen er der også tegnet en renseprop 34. I tilløbet 28 findes der et udluftningshul 35 for at forhindre en luftansamling i rørbøjningen under påfyid-15 ning af systemet. I tankens nederste kammer 6, hvis gasdel (luft) altså komprimeres og optager udvidelsen, når vandet i systemet opvarmes, udmunder trykholdeledningen 18 samt udluftningsiednin-gerne henholdsvis 19 og 20 fra henholdsvis luftmel lemkøleren 12 og ferskvandskøleren 21 (jfr. fig. 1).

20 I de i fig. 1 ikke nærmere viste sikkerhedssystemer indgår der, at væskeoverfladen i ekspansions- og trykholdekammeret 6 skal holdes indenfor begrænsede variationer. I tanken kan der med dette formål for øje indkobles en svømmer 36, der ved lavt niveau slutter en niveaukontakt for tilførsel af yderligere kølevand til systemet fra 25 en konventionel grentank (ikke vist) og en anden svømmer 37, der ved opnåelse af normalt niveau bryder niveau kontakten og endelig en alarmsvømmer 38, der ved ekstremt lavt niveau udløser en alarm.

I fig. 2 er der vist en niveauskala 39 ved siden af tanken 3.

Denne niveauskala svarer til et på tanken 3's yderside anbragt 30 niveauaflæsningsrør, som er forbundet med ekspansions- og trykholdekammeret. Udluftningskammeret 4 er endvidere forsynet med en luftudløbsventil 40. Niveauskalaen 39 har tre markeringer "lav", "høj" og "fyldn.". Ved normal drift skal kammeret 6's niveau ligge indenfor det normale driftsområde mellem markeringerne for højt 35 henholdsvis lavt vandniveau. Niveaumarkeringen "fyldn." anvendes ved fyldning af et tomt system, hvor også luftudløbsventilen 40 skal være åben. Når kølevand er fyldt op til dette niveau og ventilen 40 er blevet lukket og systemet startes, omfordeles vandet i systemet, således at det øverste kammer 4 fyldes og der dannes et luftfyldt 6 148544 ekspansionsrum i det nederste kammer 6,

Hvad angår den generelle virkemåde af ferskvandskølesystemet ifølge opfindelsen kan det iøvrigt bemærkes, at vandpumpen 17's kapacitet indstilles ved hjælp af strømjusteringsventilen 8, således at 5 . der opnås en ønsket temperaturstigning over motoren ved fuld effekt.

Derved forøges også trykniveauet i kappekølingen, således at temperaturgrænsen for dampdannelse forøges, hvorved en sådan dampdannelse kan undgås på motorens stærkt varmeafgivende flader. Strøm-justeringsventilen 8 kan bestå af en låselig drøvleventil eller en fast 10 drøvleskive.

Temperatur regulatoren blander højtemperaturvand med koldt vand fra ferskvandskøleren 21 til konstant indløbstemperatur for luftmellemkøleren 12.

Temperaturregulatoren Tg blander høj- og lavtemperaturvand til 15 konstant indløbstemperatur i højtemperaturkredsen (kappekølingen).

Når motoren startes, styrer temperaturregulatoren Tg i kort tid vandcirkulationen alene gennem højtemperaturkredsen, indtil driftstemperaturen er opnået.

En vis forvarmningseffekt i luftmellemkøleren 12 opnås dog dels 20 ved et lille forbindelseshul i temperaturregulatorernes elementer og dels gennem luftmellemkølerens 12 udluftningsledning 19. Så snart motoren har nået normal arbejdstemperatur, styrer temperaturregulatorerne Tg og T1 også vandet gennem lavtemperaturkredsen (luftmellemkøleren), hvorved indsugningsluften tempereres, d.v.s. køles 25 ned, hvis belastningen kræver dette, eller forvarmes, hvis dette kræves.

Når driftstemperaturen også er opnået i lavtemperaturkredsen, begynder temperaturregulatoren T^ ved øget belastning at spæde - - vand fra ferskvandskøleren 21 ind i lavtemperatur kredsen og give 30 øget køleeffekt til luftmellemkøleren 21. Som det fremgår, er arrangementet et sådant, at forøget køleeffekt opnås i luftmellemkøleren 12 for stigende belastning i motoren, hvilket fører til, at motorens termiske belastning holdes nede.

Trykhotdelsen i systemet udgøres af vandets statiske niveau i 35 det nederste kammer sammen med trykstigningen i kraft af vandets ekspansion og virker gennem trykholdeiedningen 18, som forbinder det nederste kammer 6 med pumpen 17's sugeside, hvilket garanterer, at der ikke fremkommer forstyrrelser (kavitation) i pumpen. Alternativt kan et ydre tryk sluttes til stigrøret 27. Dette stigrør, 148544 7 som udgår fra det nederste kammer 6, er endvidere forsynet med et tryktæt låg 26, hvori der indgår en trykregulator, som dels åbner ved et bestemt overtryk (sikkerhedsfunktion), og dels åbner umiddelbart under atmosfærelinien (vacuumfunktion).

5 Endvidere skal det bemærkes, at gennemskylningen i udluft ningsrøret 31 fra det øverste kammer til det nederste (ekspansionsdelen), udmunder under vandniveauet, således at der ikke sker nogen gennembrusning af ekspansionsdelen og hvilket sikrer minimal ilttilsætning til systemvandet. Udluftningsrøret 31 's føring indebærer 10 desuden, at ingen luftlommer trækkes op til det øverste kammer, når motoren standses, hvorved bedømmelsen af væskeniveauet også bliver sikrere.

Fordelene ved systemet ifølge opfindelsen skulle kunne resumeres som følger: 15 - Kun et kølesystem til både kappe- og luftmellemkøiing, hvor samtlige funktioner findes indbygget på motoren med undtagelse af ferskvandskøleren.

Luftmel lem køl ingens effektivitet stiger med stigende motorbelastning, hvilket holder motorens termiske belastning 20 nede.

Forvarmning (temperering) af indsugningsluften sker ved start og ved drift under arktiske forhold (kondensdannelse undgås).

Kontinuerlig udluftning (afgasning) sikres.

25 - Korrosionssikkert system, da ilttilsætning af vandet ikke sker.

Mere enhedsmæssige og billigere materialer til rør, armaturer og luftmel lemkølere kan anvendes (sammenlignet med råtvandskøling).

30 - Simplificeret betjening.

- Væsentligt simplificeret motorinstallation.

Ferskvandskølesystemet ifølge opfindelsen er endvidere i fig. 3 eksemplificeret med relevante data for et sådant kølesystem ved en kompressorfødet luftmellemkølet "medium speed" dieselmotor med 35 udviklet effekt og omdrejningstal ifølge propellerloven. Den aktuelle motor var, således som det fremgår af diagrammet, forsynet med en direkte drevet vandpumpe. Motorens omdrejningstal er markeret på X-aksen og iøvrigt turde de forskellige kurver tale for sig selv.